Lær om stråleafbøjningsteknologi baseret på rumoptisk kommunikation på 3 minutter

Stråleafbøjningsteknologi er en nøglekomponent i frirumslaserkommunikation, og dens ydeevne bestemmer, om frirumlaserkommunikation kan opfylde hurtige og stabile kommunikationsbehov. Stråleafbøjningsteknologi kan opdeles i to kategorier: mekanisk stråleafbøjningsteknologi og ikke-mekanisk stråleafbøjningsteknologi. Blandt dem omfatter mekaniske stråleafbøjningsteknologier scanningsgalvanometre, hurtige kontrolspejle og mikro-elektromekaniske systemdeformerbare spejle; Ikke-mekaniske stråleafbøjningsteknologier omfatter akusto-optisk afbøjningsteknologi, afbøjningsteknologi baseret på flydende krystalmaterialer og elektro-optisk afbøjningsteknologi.

Lad os tage et kig på egenskaberne ved forskellige stråleafbøjningsteknologier og deres anvendelsesmuligheder inden for rumoptisk kommunikation.

1.Scanning galvanometer

Den mest modne mekaniske stråleafbøjningsanordning er et scanningsgalvanometer, som i det væsentlige er en lysreflektor med en trinresponstid på millisekunder/submillisekunder og en pegende nøjagtighed på mikroradianer, som vist i figur 1.

Figur 1 Skematisk diagram af scanningsgalvanometer

Galvanometer-scanningssystemet har en enkel struktur, lille størrelse, høj scanningsnøjagtighed, hurtig hastighed og relativt lave omkostninger. Den har dog problemer såsom begrænset arbejdsområde, nålepudeforvrængning og galvanometerslid. Denne enhed har nået fremragende ydeevnestandarder med hensyn til afbøjningsvinkel. For eksempel har XG210-seriens scanningsgalvanometer lanceret af det amerikanske THORLABS-firma en afbøjningsvinkel på op til ±20 grader. I øjeblikket arbejder forskere i ind- og udland på at øge scanningshastigheden og bruge metoder som femtosekund laserimpulser og multidimensionelle galvanometerstrukturer for at forbedre dens ydeevne.

Men for todimensionelle galvanometre og højere-dimensionelle galvanometer-scanningsteknologier er systemstrukturen mere kompleks, og orienteringsfejl vil forekomme i praktiske applikationer, og gode korrektionsmetoder er nødvendige for at rette fejlene. I fremtiden kan vi overveje at bruge variabel strukturstyringsteknologi og tyk og tynd to-niveaus sammensat aksestyringsteknologi for at hjælpe med at undertrykke resterende fejl. De kan anvendes i satellitkonstellationer med gode rummiljøer og korte arbejdscyklusser for at opnå højpræcisionssporing og scanning med maksimal effektivitet. Derudover er lasernes kraft i laserkommunikation generelt meget høj, så valg af galvanometerspejlmaterialer med højere reflektivitet for at reducere overfladeskader er også et problem, der skal løses i fremtiden.

2.Hurtige styrespejle

Der er to strukturer til Fast Steering Mirrors, FSM (som vist i figur 2): den ene er XY-aksens rammestruktur, også kaldet akselsystemstrukturen; den anden er den fleksible aksestruktur, som er den vigtigste udviklingsretning for FSM i øjeblikket.

Figur 2 (a) XY-aksens rammestrukturdiagram af de hurtige styrespejle; (b) Fleksibel aksestrukturdiagram af de hurtige styrespejle

Det hurtige kontrolspejl har fordelene ved høj positioneringsnøjagtighed, høj vinkelopløsning, hurtig responshastighed og kompakt størrelse. Det er meget udbredt i en række optomekaniske systemer, og den fleksible støttestruktur reducerer også mekanisk friktion, men i praktiske applikationer kræver det Kombineret med den store træghedsrammestruktur, vil det føre til en vis optisk aksefejl.

På nuværende tidspunkt fokuserer indenlandsk forskning på dette område hovedsagelig på strukturel simulering og systemkontrol af hurtige reflektorer, og fremskridtene i udviklingen af ​​nye reflektorer er langsom. Dette hænger også sammen med behovet for kontinuerlig iterativ verifikation og høje forsknings- og udviklingsomkostninger. Derfor er udvikling af et fælles simuleringssystem, så fysisk verifikation kan simuleres ved at justere visse parametre i systemet, og derved i høj grad forkorte udviklingscyklussen, hurtigere at finde højtydende hurtige spejlparametre og forbedre optimeringseffektiviteten noget, der skal undersøges i fremtiden.

På den anden side vil termiske forstyrrelser og fundamentale vibrationer, der findes i rummiljøet, forårsage optisk akseforvrængning og jitter, når der peges på højpræcisionsstråler. I øjeblikket er den eksisterende metode at bruge en stråle, der består af et Michelson-interferometer og et hurtigt kontrolspejl. Pegejusteringssystem for at kompensere for problemet med optisk aksefejl. Denne metode har imidlertid lav nøjagtighed i håndtering af dynamiske målefejl. Forbedring af nøjagtigheden af ​​dynamiske målefejl for at kompensere for fejl i realtid er et problem, der bør løses i fremtiden.

3.MEMS deformerbart spejl

Micro-Electro-Mechanical System-Deformerable Mirror (MEMS-DM) har forskellige typer såsom elektrotermisk drev, piezoelektrisk drev, elektrostatisk drev og elektromagnetisk drev. I lyset af det faktum, at elektrostatisk drev har en enkel struktur, har det fordelene ved hurtig reaktionshastighed og evnen til at arbejde under højfrekvente signaler, så det er for det meste drevet af elektrostatisk kraft og er for det meste implementeret i form af flade kondensatorer . Dens struktur er vist i figur 3.

Figur 3 MEMS deformerbare spejldrev strukturdiagram

Mikroelektromekaniske systemdeformerbare spejle har fordelene ved høj enhedstæthed, kort responstid, lavt strømforbrug, lave omkostninger og god integreret kredsløbskompatibilitet og er mere udbredt inden for billedbehandlingsområdet; dog har de også langsom scanningshastighed og lav lysenergiudnyttelse. , problemer såsom mere herreløst lys. I de senere år er forskere begyndt at udvikle flere enhedsaktuatorer til deformerbare spejle for at øge bølgefrontslaget og opnå en højere billedhastighed; samtidig vil deformerbare spejle med flere aktuatorer føre til større mekanisk belastning, så valget af lettere grundmaterialer med lavere hårdhed er vejen frem.

4.Akustisk og let afbøjningsteknologi

Akusto-optisk afbøjningsteknologi konverterer højfrekvente elektriske signaler til ultralydsbølger og transmitterer dem til arbejdsmediet gennem en transducer for at danne et gitter, som bruger lysbølgediffraktion til at afbøje strålen, som vist i figur 4. Den akusto-optiske diffraktion effekt er opdelt i Ramanes diffraktion og Bragg diffraktion i henhold til længden af ​​det akusto-optiske område. Da Ramanes-diffraktion har lav lysudnyttelseseffektivitet, og Bragg-diffraktion har høj diffraktionseffektivitet, bruges Bragg-diffraktion generelt.

Figur 4 Principdiagram for akustisk og lysafbøjning

Akusto-optiske afbøjningsanordninger har fordelene ved lille størrelse, lav vægt, lav drivkraft og høj diffraktionseffektivitet. Samtidig har akusto-optisk afbøjningsteknologi også mulighed for parallelbehandling i realtid, stor tidsbåndbredde, nem kompatibilitet med computere og automatisk kontrol. Der er dog også følgende mangler: det meste af det diffrakterede lys er førsteordens diffrakteret lys, hvilket resulterer i, at den akusto-optiske afbøjningsanordning har åbenlyse mangler i det store afbøjningsområde, lav afbøjningsnøjagtighed, vanskeligheder med at opnå fin kontrol af strålen og lav opløsning. , vises en "kvidrende effekt" under højhastighedsscanning.

Ved at bruge metoder som ultralydssporing og single-crystal multi-frekvens kan den effektive båndbredde øges for at løse problemet med lav opløsning. For "chirp-effekten" kan en cylindrisk linse tilføjes efter deflektoren for at eliminere dens indflydelse. På nuværende tidspunkt er der mange undersøgelser af frekvensen af ​​indfaldende akustiske bølger, og forskellige metoder til eksperimentel forbedring er blevet udført for at forbedre diffraktionseffektiviteten og frekvensresponsen af ​​den akusto-optiske deflektor under forekomsten af ​​ultralydsbølger, men ydeevnen at øge afbøjningsvinklen er sjældent blevet analyseret.

I fremtiden kan kontrollerbar akustisk bølgevektorteknologi overvejes at ændre den akustiske bølges indfaldsretning for at udvide dens afbøjningsscanningsvinkel. Andre indikatorer for afbøjningsydelsen af ​​akusto-optiske deflektorer, herunder båndbreddeydelse, antistatisk evne og termisk stabilitet, er også aktuelle forskningshotspots.

5.LCD afbøjningsteknologi

Stråleafbøjningsteknologier baseret på flydende krystalmaterialer omfatter hovedsageligt: ​​flydende krystalfasede arrays, flydende krystal mikrolinsearrays og flydende krystal polariserende gitter.

Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) teknologi refererer til påføring af spænding til flydende krystalmolekyler gennem elektroder. Da flydende krystalmolekyler har en elektronisk styret dobbeltbrydningseffekt, styrer den påførte spænding graden af ​​afbøjning af flydende krystalmolekyler i forskellige tilstande og påvirker derved strålebølgen. Det spiller rollen som fasemodulation foran for at realisere strålescanning, som vist i figur 5.

Figur 5 Principdiagram af flydende krystalfaset array-afbøjning

LCOPA har fordelene ved høj effekt og lavspændingsdrift og kan opnå højpræcisionsstråleafbøjning med fingerfærdighed og ingen mekanisk inerti. Den har dog mangler såsom lang responstid og kort driftsspektrumsbredde. Derudover begrænser den lille afbøjningsvinkel også anvendelsesområdet for LCOPA, som kræver en vinkelforstærkningsanordning for at opnå en større afbøjningsvinkel. På grund af faktorer såsom den effektive blænde og gang-vinklen af ​​vinkelforstærkningsanordningen, er det imidlertid i øjeblikket vanskeligt for vinkelforstærkningsanordningen at opnå højere vinkelforstørrelse. Samtidig vil det flydende krystalfasede array have flere diffraktionsordrer under drift, og kombineret med påvirkningen af ​​ikke-lineære korrelationseffekter vil afbøjningseffektiviteten af ​​LCOPA blive reduceret.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) består af 3 linsearrays, som vist i figur 6. Sammenlignet med LCOPA har LCMLA en større afbøjningsvinkel og påvirkes ikke af den optiske returzone, så afbøjningseffektiviteten er højere; påvirket af ændringstiden for det molekylære LC-arrangement i det flydende krystalmateriale, er den optiske vejforskel, der kræves af LCMLA, længere end den for LCOPA. Lille, tykkelsen kan gøres mindre, så LCMLA har en mindre responstid end LCOPA. For at opnå kontinuerlig stråleafbøjningsscanning skal LCMLA imidlertid bruges i kombination med nogle finvinklede afbøjningsenheder, hvilket øger kompleksiteten af ​​applikationsimplementeringen. Desuden er LCMLA sammensat af et flerlags linsearray, og systemstabiliteten er dårligere end LCOPA. LCMLA opnår stråleafbøjning ved at ændre den vigtigste store diffraktionsrækkefølge af det udsendte lys. Mikrolinsearrayets rumlige sammenhæng påvirker dets opløsning, hvilket kræver en meget lille fejl i størrelsen af ​​mikrolinsen, hvilket er et stort problem, der skal løses.

Figur 6 Skematisk diagram af flydende krystal mikrolinsearray

Princippet for Liquid Crystal Polarization Grating (LCPG) er, at det indfaldende lys passerer gennem polarisatoren for at danne venstrehåndslys og højrehåndslys, og derefter passerer gennem LCPG'en for at afbøje lysstrålen i to forskellige retninger. Afbøjningslysvejen er vist i figur 7. LCPG påvirkes ikke af den elektriske feltkanteffekt og har høj opløsning, programmerbar kontrol, lethed og fleksibilitet. LCPG behøver kun at generere den optiske vejforskel for den ækvivalente halvbølgeplade, og den nødvendige tykkelse af det flydende krystallag er tyndere, hvilket gør dets responstid kortere. Det er hurtigt og har ikke virkningen af ​​optisk retur forårsaget af fase-nulstilling. Derudover kan den også opnå bredspektret drift. Det er dog vanskeligt for en enkelt LCPG at opnå indekskravene for flere vinkler og et stort synsfelt på samme tid, og flerlags LCPG stiller høje krav til forberedelsesprocessen og systemstabilitet.

Figur 7 Skematisk diagram af flydende krystal polarisationsgitter

Den traditionelle LCOPA er let og fleksibel og kan opnå fin afbøjning inden for et lille vinkelområde. Systemkompleksiteten er forholdsvis enkel, og forberedelsesprocessen er forholdsvis moden. Det er dog påvirket af den optiske returzone forårsaget af fase-nulstilling, og der er åbenlyse mangler i afbøjningseffektivitet, responstid og andre indikatorer. , har stadig brug for løbende forbedringer og udvikling. LCMLA og LCPG påvirkes ikke af den optiske returzone og har i høj grad forbedret afbøjningseffektiviteten. De skal dog begge være udstyret med finvinklede afbøjningsanordninger for at opnå kvasi-kontinuerlig afbøjningsscanning af strålen, og begge bruger flere trin for at opnå den maksimale afbøjningsvinkel. Seriestrukturen vil føre til et system, der er for langt og har relativt dårlig stabilitet. Sammenlignet med LCOPA og LCMLA har LCPG ikke kun karakteristika for stor afbøjningsvinkel og høj afbøjningseffektivitet, men har også den unikke fordel ved bredspektret drift, men den kan kun opnå stråleafbøjningsscanning med et stort vinkelinterval. På nuværende tidspunkt er flydende krystalafbøjningsteknologi den mest studerede inden for ikke-mekanisk afbøjning, men der er betydelige begrænsninger i at opnå store vinkler og høj effektivitet under ikke-polariserede lysforhold. For at løse dette problem kan enhedens arkitektur og materialetype overvejes; når der anvendes flydende krystal polariserende gitteranordninger, er det vanskeligt at opnå kontinuerlig vinkelafbøjning ved store vinkelafbøjninger. Det er problemer, der skal løses i fremtiden.

6.Elektro-optisk afbøjningsteknologi

Elektro-optisk afbøjningsteknologi realiseres ved at udnytte den afbøjning, der genereres af brydningsindeksgradienten vinkelret på stråleudbredelsesretningen, som vist i figur 8. Sammenlignet med andre teknologier har stråleafbøjninger baseret på elektro-optiske krystaller fordelene ved vilkårlig afbøjning vinkel, lille størrelse, hurtig responshastighed og høj følsomhed, men de har problemet med lav opløsning.

Figur 8 Principdiagram af elektro-optisk afbøjning

I de senere år er der rapporteret om elektro-optiske materialer med sekundære elektro-optiske effekter i ind- og udland, såsom lithiumniobat, bariumtitanat osv. Sammenlignet med krystaller med lineære elektro-optiske effekter er de overlegne i ydeevne såsom respons hastighed og afbøjningsspænding. Blandt dem, KTN krystaller Den mest repræsentative.

KTN-krystal er den i øjeblikket kendte krystal med den største sekundære elektro-optiske effekt. Det har enestående egenskaber såsom stor dielektrisk konstant, lavt dielektrisk tab, åbenlys ferroelektricitet og fremragende ikke-lineære optiske egenskaber. Den har en meget bred vifte af anvendelser inden for stråleafbøjning. udsigt. På nuværende tidspunkt har udenlandske virksomheder som Japans NTT Company og University of Pennsylvania i USA, såvel som indenlandske Harbin Institute of Technology, Nankai University og Shandong Academy of Sciences, forsket meget i KTN's afbøjningsegenskaber. krystaller.

NTT Company og University of Pennsylvania studerede hovedsageligt KTN-krystalstråleafbøjningsteknologi baseret på rumladningsinjektion; Shandong Academy of Sciences studerede hovedsageligt stråleafbøjningsteknologien fremkaldt af sammensætningsgradienten af ​​KTN-krystal; Harbin Institute of Technology og andre studerede hovedsageligt elektroderne i KTN-krystalstråledeflektorer. Tekniske spørgsmål såsom struktur og driftstemperatur blev undersøgt.

Følgende problemer eksisterer i øjeblikket: det er vanskeligt at opnå høj optisk ensartethed i krystalvækst og opfylde behovene for praktiske anvendelser; applikationer nær Curie-temperaturen kræver præcise temperaturkontrolmetoder; der er spørgsmål om rumladningsindsprøjtningsmekanismen og polariteten ved Curie-temperaturen. Videnskabelige spørgsmål såsom nano-regionen og kontrolmekanismen for stråleafbøjning kræver yderligere forskning.

For mere intuitivt at vise fordele og ulemper ved hver afbøjningsteknologi, blev der udført en sammenlignende analyse, som vist i tabel 1.

Tabel 1 Sammenligning af stråleafbøjningsteknologier

Resumé

Almindeligt anvendte mekaniske mikro-elektromekaniske deformerbare spejle, hurtigreflektionsspejle og scanningsgalvanometre ændrer retningen af ​​den udsendte optiske akse gennem mekaniske midler. Deres nøjagtighed kan nå mikroradianer, og afbøjningsvinklen kan nå dusinvis af radianer. De har brede anvendelsesmuligheder inden for medicin og andre områder. . Der er dog problemer som kompleks struktur, omfangsrig størrelse og højt energiforbrug. På grund af den store størrelse af adaptive optiske systemer bruges MEMS deformerbare spejle i ind- og udland hovedsageligt inden for billedbehandlingsområdet. Inden for stråleafbøjning er det vanskeligt at opfylde behovene i små rumbårne miljøer. for at imødekomme de høje krav til kemikalisering og letvægt.

Akusto-optisk afbøjningsudstyr har en stor arbejdsbåndbredde, men det er vanskeligt at opfylde mikroradianernes afbøjningsnøjagtighed, og det stiller høje krav til bølgelængden, vinklen og energien af ​​det indfaldende lys og forbruger store energitab.

Metoder såsom flydende krystalfasede arrays og mikrolinse arrays har lavt strømforbrug og lav drivspænding, men de har langsom responshastighed, diskontinuerlig vinkelafbøjning, store afbøjningsvinkler men lav afbøjningseffektivitet ved store vinkler, hvilket gør det vanskeligt at opfylde opgavekravene i transmission med stor båndbredde.

Sammenlignet med andre teknologier har stråledeflektorer baseret på elektro-optiske krystaller fordelene ved vilkårlig afbøjningsvinkel, lille størrelse, hurtig responshastighed og høj følsomhed. De anses for at være de mest egnede til at realisere en af ​​de førende retninger inden for højhastighedslysafbøjningsteknologi. Blandt forskellige typer elektro-optiske materialer har elektro-optiske deflektorer baseret på KTN-krystaller fordelene ved afbøjning i stor vinkel, hurtig reaktionshastighed, høj afbøjningseffektivitet, høj afbøjningsnøjagtighed, bredbåndsdrift osv., og har større potentiale i applikationer inden for områder som rumoptisk kommunikation, ved at blive et forskningshotspots rundt om i verden. På den ene side skal det efterfølgende arbejde analysere og studere vækstkarakteristika og -betingelser for KTN-krystaller for at dyrke højkvalitetskrystaller med ensartet sammensætning og regelmæssig form; på den anden side skal vi gradvist studere den mikroskopiske afbøjningsmekanisme af KTN-krystaller, hvilket er meget vigtigt. praktisk betydning.